Gas phase studies of molecules of biological and astrophysical interest

Resumen

La presente Tesis Doctoral se ubica dentro del proyecto de investigación CTQ2010-19008 (Estructuras e Interacciones en Biomoléculas) otorgado por el Ministerio de Ciencia e Innovación al Grupo de Espectroscopia Molecular (GEM) de la Universidad de Valladolid. Durante el periodo 2011-2015 se han realizado estudios sobre el comportamiento conformacional y tautomérico de biomoléculas así como la relación entre su estructura y su funcionalidad. En esta investigación se han considerado los constituyentes elementales de las biomoléculas (denominados building blocks: aminoácidos, monosacáridos, o bases nitrogenadas) caracterizándolos en detalle para así poder predecir su comportamiento como un todo. El reconocimiento celular,[1-2] el plegamiento y desdoblamiento de proteínas,[3] el dulzor de los azúcares,[4-5] así como las combinaciones de las bases nitrogenadas para formar ácidos nucleicos,[6] son ejemplos de procesos que dependen de la estructura de estas biomoléculas. Por todo ello, un estudio detallado de su estructura en términos de conformaciones, tautomería y de las fuerzas intramoleculares que las estabilizan es necesario para lograr entender la funcionalidad de éstos sistemas biológicos. Las biomoléculas, en general, no presentan una única estructura tridimensional, sino que se caracterizan por su elevada flexibilidad. La rotación en torno a sus enlaces sencillos genera diferentes estructuras tridimensionales denominadas conformaciones o confórmeros. Además de distintos confórmeros, algunos building blocks presentan tautomería: dos especies, denominadas tautómeros, están en equilibrio tautomérico cuando la trasposición de un hidrógeno de una parte a otra de la molécula da lugar a la otra especie. Las bases nitrogenadas son un claro ejemplo de tautomería (véase apartado I.2).[7-10] La estabilidad relativa tanto de las formas tautoméricas como de las conformaciones, viene determinada por las fuerzas intramoleculares que las estabilizan, de entre las que destacan por su importancia los enlaces de hidrógeno.[11-19] El mayor inconveniente de los estudios conformacionales y tautoméricos radica en el medio en el que se encuentran naturalmente las biomoléculas, los medios condensados. En este entorno, la estabilidad de sus conformaciones así como de sus tautómeros viene determinada no sólo por las interacciones intramoleculares ya mencionadas, sino también por las intermoleculares; ya que al poderse formar diferentes enlaces no covalentes entre las biomoléculas y el medio, la distribución conformacional de las sustancias se puede ver afectada. Estas interacciones intermoleculares pueden llegar incluso a alterar la forma de las biomoléculas; un ejemplo de ello son los aminoácidos que pasan de presentarse en su forma neutra cuando están aislados, a la forma zwiteriónica en los medios condensados[20-21] (grupo amino cargado positivamente y carboxilo negativamente, debido a la transposición de un protón). Por tanto, para poder estudiar la distribución conformacional y el equilibrio tautomérico intrínseco a las biomoléculas, es preciso hacerlo en condiciones de aislamiento, donde las interacciones con el medio sean nulas y, por consiguiente, únicamente se pongan de manifiesto las interacciones intramoleculares propias del sistema. Esta condición se cumple, por ejemplo, en fase gaseosa. Tal y como se explicará en el Capítulo III, la sinergia entre las técnicas que combinan ablación láser (LA) con espectroscopia de microondas con transformada de Fourier (FTMW) y los cálculos ab initio de alto nivel, han resultado ser idóneas para la identificación de las especies más abundantes de estas biomoléculas en fase gaseosa.[22] Gracias a la capacidad para volatilizar sustancias de alto punto de fusión mediante ablación láser y el gran poder de resolución (sub-doppler) y sensibilidad asociados a FTMW, se ha podido abordar por primera vez los estudios de biomoléculas aisladas: azúcares,[23-28] aminoácidos proteicos,[29-42] bases nitrogenadas,[7-10] o neurotransmisores[43-44]. La información conformacional y aportada en estos estudios es de gran utilidad, no sólo para lograr entender la funcionalidad de estas moléculas, sino que, además, los datos espectroscópicos de cada una de las especies identificadas posibilitan una futura detección de estas biomoléculas en el espacio interestelar. Haciendo uso de estas técnicas, durante el periodo de tesis, se ha abordado el estudio de diversos aspectos relacionados con las biomoléculas como: el dulzor de los azúcares (Capítulo IV-V), la estructura del azúcar constituyente del ADN (desoxirribosa, Capítulo VI), las características conformacionales del primer aminoazúcar (Capítulo VII), el tautomerismo en aminoácidos (Capítulo VIII), la microsolvatación de bases nitrogenadas (Capítulo IX) y el panorama conformacional de los neurotransmisores (Capítulo X). Se ha de hacer una especial mención a los azúcares recogidos en esta memoria (Capítulos IV-VIII), debido a que esta línea de investigación se ha iniciado recientemente en el laboratorio y la cual está dando excelentes resultados. Además de los trabajos realizados sobre el comportamiento conformacional y tautomérico de las biomoléculas, se ha abordado la problemática de la identificación de moléculas en el medio interestelar (ISM). Dicha identificación precisa de parámetros espectroscópicos obtenidos en el laboratorio. De este modo, más de 180 moléculas han sido detectadas.[45] Sin embargo aún faltan por ser identificadas numerosas especies.[46] Con ese fin, en el laboratorio se ha actualizado los espectrómetros en el dominio de frecuencias que trabajan en las regiones del espectro de microondas, milimétricas y submilimétricas (véase apartado III.1.4) que son las mismas que son registradas en muchos observatorios astronómicos. Como resultado de estas mejoras y del extenso trabajo espectroscópico realizado se han logrado identificar numerosas transiciones pertenecientes a los estados vibracionalmente excitados de los cianuro de etilo y de vinilo en el ISM, cuyos trabajos no se presentan en la tesis pero se anexan sus publicaciones (Anexos I y II). Además, con el fin de poder corroborar su detección tentativa en el ISM,[47] se ha realizado un análisis detallado del propenal, una molécula considerada como un azúcar del espacio y que está estrechamente ligada a la síntesis de aminoácidos[48]. El isocianuro de metilo (CH3OCN) es otra molécula que podría estar presente en el ISM dado que moléculas similares ya han sido detectadas en diferentes zonas de la galaxia.[49-52] Con el fin de facilitar su identificación en el ISM, se ha realizado un análisis rotacional del estado fundamental de torsión del isocianuro hasta 350GHz (Capítulo XII). En el transcurso de la presente tesis doctoral, no sólo se han tratado aspectos puramente espectroscópicos sobre biomoléculas y moléculas de interés atrsofísico, sino que también se ha realizado una incursión en temáticas relacionadas con el análisis de drogas mediante la combinación de técnicas de ablación laser con espectrometría de masas en tiempos de vuelo (LA-TOF-MS). Se han analizador muestras sólidas evitando el siempre tedioso pretratamiento, intrínseco a las técnicas más convencionales. De esta forma, la sustancia estupefaciente MDMA se ha logrado detectar satisfactoriamente a partir de una muestra decomisada. (véase Capítulo XIII) [1] J. M. Lehn, Nobel Lecture 1987, 8, 444. [2] M. J. Zigmond, Fundamental Neuroscience, Academic Press: London, 1998. [3] K. A. Dill, H. S. Chan, Nat Struct Mol Biol 1997, 4, 10-19. [4] R. S. Shallenberger, T. E. Acree, Nature 1967, 216, 480-482. [5] G. G. Birch, R. S. 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